Некоторые специалисты по квантовой криптографии стремятся найти способы сохранить секретность сообщений даже в том случае, если законы квантовой механики перестанут действовать. Недавно вновь открытая концепция квантового вмешательства ещё больше усложняет ситуацию.
В течение последних десятилетий исследователи свыклись с мыслью о том, что квантовые компьютеры в конечном итоге смогут взломать широко используемые коды, которые обеспечивают безопасность большей части цифрового мира. Чтобы защититься от этой участи, они потратили годы на разработку новых кодов, которые, как кажется, будут в безопасности от будущих взломщиков, вооружённых квантовыми компьютерами.
В то же время они также придумали гениальные способы использования правил квантовой механики для обеспечения безопасности связи. Но квантовая механика, как и предшествовавшая ей «классическая» механика, — это всего лишь теория о том, как работает природа. Что, если в конечном итоге её вытеснит более полная теория, точно так же, как квантовая механика вытеснила ньютоновскую физику столетие назад? Будут ли эти методы квантовой связи по-прежнему безопасны в мире, где существует ещё более фундаментальный набор правил?
«Что касается криптографических протоколов, то лучше быть параноиком», — сказал Равишанкар Раманатхан, теоретик квантовой информации из Гонконгского университета, занимающийся квантовой криптографией. «Попробуем свести к минимуму допущения, лежащие в основе протокола. Допустим, что в будущем люди поймут, что квантовая механика — это не окончательная теория природы».
Эту возможность стоит учесть. Сложность нерешённых задач — таких, как согласование квантовой механики и гравитации — наводит на мысль, что постквантовая теория природы может содержать в себе нечто совершенно неожиданное.
Чтобы обезопасить себя от возможности того, что их протоколы основаны на ошибочных допущениях, некоторые специалисты по квантовой криптографии ищут ещё более фундаментальные принципы, на которых можно было бы строить свои разработки. Вместо того чтобы отталкиваться от квантовой механики, они углубляются в исследования, доходя до самого понятия причинности.
Тонкий саботаж
Один из способов познакомиться с развитием событий в этой области — рассмотреть квантовую передачу ключа, которая предполагает использование правил квантовой механики для передачи ключа, используемого для расшифровки секретного сообщения, таким образом, чтобы его нельзя было незаметно подделать. Квантовая передача ключа использует квантовую запутанность, которая связывает две частицы через одно из их свойств, например спин. Квантовая запутанность содержит в себе нечто вроде сигнального провода. Если кто-то попытается вмешаться в запутанность — как это было бы в случае попытки кражи ключа — вторжение разрушит запутанность, раскрыв саботаж. Это происходит из-за фундаментального принципа квантовой механики, называемого «моногамией запутанности».
Но что, если этот принцип перестанет действовать? В таком случае, если люди, передающие сообщение, не будут полностью контролировать свои устройства, посторонний человек потенциально сможет незаметно изменить запутанность частиц, нарушив связь, не оставив при этом никаких следов.
Этот процесс назвали «квантовым вмешательством» [quantum jamming], и в последние годы учёные всё активнее пытаются его понять.
Для многих учёных это вмешательство представляет интерес, поскольку может помочь им лучше понять как квантовую механику, так и природу причинно-следственных связей. Они задаются вопросом: существуют ли глубокие принципы, запрещающие вмешательство, делающие его невозможным? Или, если никакой принцип его не запрещает, может ли вмешательство произойти в реальности?
Вмешивающийся Влад
Михал Экштейн, физик-теоретик из Ягеллонского университета в Кракове, Польша, любит иллюстрировать вмешательство с помощью одной истории. Её главные герои — классические персонажи из объяснений квантовой механики, Алиса и Боб.
«Предположим, у вас есть Алиса и Боб, и они встречают фокусника, Вмешивающегося Влада», — сказал Экштейн. «Фокусник говорит: „У меня есть два шара; один белый, а другой чёрный“».
Мячи символизируют пару запутанных частиц. Если две частицы запутаны, их свойства каким-то образом взаимосвязаны: если, например, измерить первую частицу и обнаружить, что её спин направлен вверх, спин второй частицы неизбежно будет направлен вниз, и наоборот. Это верно даже в том случае, если вторая частица находится на другом конце Вселенной. В данном случае мячи связаны таким образом, что если один из них белый, другой всегда будет чёрным.
В классическом трюке сценической магии Влад позволяет зрителям увидеть, как шары помещаются в две коробки, перемешиваются и передаются Алисе и Бобу. На этом этапе никто не знает, какой шар находится в какой коробке.
Затем Алиса и Боб садятся в ракеты, которые улетают в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света. Через некоторое время Алиса открывает свою коробку, а Боб — свою. Но к тому моменту Влад проделал свой фокус, и шарики поменялись местами.
Сначала ни Алиса, ни Боб не замечают вмешательства Влада. Каждый из них ожидает, что у него будет 50% шанс увидеть белый или чёрный шарик, и когда каждый открывает свою коробку, шарик оказывается либо белым, либо чёрным. Ничто из того, что делает Влад, не может изменить это.
Однако, когда Алиса и Боб встречаются обратно на Земле, фокус фокусника раскрывается. Когда Алиса и Боб сравнивают свои измерения, они обнаруживают, что их шары одного цвета. Влад изменил природу запутанности шаров — из противоположных цветов они превратились в идеально совпадающие.
В принципе, это и есть основная идея, хотя на самом деле процесс квантового вмешательства немного сложнее.
В середине 1990-х годов Якоб Грунхаус, Санду Попеску и Даниэль Рорлих исследовали, насколько далеко теория может выйти за пределы правил квантовой механики, при этом по-прежнему соблюдая основной принцип Эйнштейна: не передавать информацию быстрее скорости света. Мысленные эксперименты Эйнштейна, проведённые в середине прошлого века, показали, что без этого «принципа отсутствия сигнала» само понятие причины и следствия начало бы рушиться. С тех пор принцип отсутствия сигнала стал основным допущением, когда физики рассматривают, что может лежать за пределами квантовой механики. «Когда мы работаем в области квантовых основ, мы очень серьёзно относимся к принципу отсутствия сигнала», — сказала Мирьям Вайленманн из французского национального исследовательского института Inria.
Грунхаус, Попеску и Рорлих представили себе «вмешательство» как своего рода «суперзапутанность», способную влиять на запутанные частицы. Точно так же, как можно использовать измерительное устройство, чтобы определить судьбу удалённой запутанной частицы, можно использовать гипотетическое устройство для вмешательства, чтобы изменить корреляцию пары удалённых запутанных частиц. Некоторые физики утверждают, что если бы эта процедура вмешательства подчинялась нескольким ключевым правилам, она незаметно нарушила бы квантовую запутанность, не нарушая при этом причинно-следственную связь.
Идея квантового вмешательства настолько странна, что поначалу физики не знали, что с ней делать. «Мы написали ту статью, и на этом всё закончилось», — сказал Попеску.
Причина и следствие
Двадцать лет спустя пришло время для дальнейшего изучения этой идеи.
Квантовая криптография развивалась по мере того, как квантовые компьютеры переходили от теоретических идей к экспериментам в реальном мире. В первом десятилетии 2000-х годов несколько групп разработали независимое от устройства квантовое распределение ключей — процедуру квантовой криптографии, основанную на моногамии запутанности.
В 2016 году Раманатхан и Павел Хородецки размышляли об этих протоколах, когда наткнулись на статью Грунхауса, Попеску и Рорлиха. «Мы начали понимать, что это свойство моногамии, на котором основана вся устройство-независимая криптография, полностью теряет свою эффективность, как только начинаешь допускать такие типы корреляций, вызывающих вмешательства», — сказал Раманатхан.
Вскоре явление квантового вмешательства стало предметом оживлённых дискуссий. Многие исследователи считали, что в этом мысленном эксперименте упущено что-то важное: хотя квантовое вмешательство нельзя использовать для передачи сигналов со скоростью, превышающей скорость света, воздействие на состояние удалённой квантовой частицы по-прежнему напоминает то самое «пугающее дальнодействие», которое когда-то мучило Эйнштейна.
Но некоторых исследователей дискомфорт, который вызывает квантовое вмешательство, наоборот, вдохновляет на новые идеи. «Я рассматриваю его как инструмент, помогающий отточить наше интуитивное понимание того, каково правильное определение причинности», — сказал Роджер Колбек, который в своей докторской диссертации 2006 года предложил один из первых протоколов для криптографии, независимой от устройств.
Сейчас в Королевском колледже Лондона Колбек работает с В. Виласини из исследовательского центра Inria при Университете Гренобль-Альп над классификацией того, как причинно-следственные связи работают в разных теориях. Для них вмешательство служит полезным краевым случаем. Они ищут другой фундаментальный принцип, подобный принципу отсутствия сигнала, который объясняет, какие правила нарушает вмешательство.
Группы Раманатхана и Хородецкого отреагировали на эту работу, а также на недавнюю статью Вайленмана, в препринте в декабре 2025 года, который они написали вместе с Экштайном, Томашем Миллером и отцом Павела Хородецкого, Рышардом. Сейчас исследователи ведут переговоры, пытаясь уточнить термины, устранить недоразумения и найти фундаментальные принципы, лежащие в основе физических теорий.
«Для меня это самый интересный вопрос», — сказал Экштейн. «Есть ли за этим какая-то новая физика? Может ли физика объяснить такие явления?»